АНАЛИЗ ЗАКОНОВ ДВИЖЕНИЯ, ЗАДАВАЕМЫХ ПРОФИЛЕМ КУЛАЧКОВОГО МЕХАНИЗМА ТОПЛИВНОГО НАСОСА

АННОТАЦИЯ

В статье представлены контактные перемещения элементов высших кинематических кулачковых пар, которые оказывают существенное влияние на законы ускорения толкателя особенно в быстроходных механизмах, где доминирующим силовым фактором, определяющим работоспособность и ресурс работы механизма, является силовое инерционное нагружение. В этой связи анализ контактного взаимодействия в этих механизмах приобретает важное значение.

ABSTRACT

The article presents contact displacements of elements of higher kinematic cam pairs, which have a significant impact on the laws of acceleration of the pusher, especially in high-speed mechanisms, where the dominant force factor that determines the efficiency and service life of the mechanism is inertial force loading. In this regard, the analysis of contact interaction in these mechanisms is of great importance.

Ключевые слова: анализ, кулачковый механизм, топливный насос, кулачковый вал, жесткостные характеристики, скорость вращения кулачка, фазы движения

Keywords: analysis, cam mechanism, fuel pump, camshaft, stiffness characteristics, cam rotation speed, motion phases

Одним из основных видов, широко применяемых в современных машинах-автоматах, являются кулачковые механизмы, относящиеся к классу цикловых в соответствии с обеспечением периодического движения рабочих органов машины.

Для достоверной оценки результатов эксперимента прежде надо произвести анализ кулачковых механизмов топливного насоса. С этой целью с помощью микрометрического индикатора были выполнены замеры профиля кулачка. При этом кулачковый вал устанавливался в делительную головку. Замеры осуществлялись дискретно с шагом по углу поворота кулачка на угол Δφ=4,5°. По результатам этих замеров был построен закон перемещения, задаваемый профилем кулачка (рис. 1).

Далее эти данные в табличном виде были занесены в компьютер, где с помощью опять же математического пакета MathCAD были дважды продифференцированы по углу поворота. Таким образом, были построены графики передаточных функций скорости и ускорения, задаваемые кулачка (рис. 2 и рис. 3).

Рисунок 1. Закон перемещения, задаваемый профилем кулачка

Рисунок 2. График передаточной функции скорости

Рисунок 3. График передаточной функции ускорения

Анализ этих графиков показывает следующее:

1. Угол фазы удаления составляет 180°, угол дальнего стояния равен нулю, угол фазы приближения 90°. Фаза удаления делится на два интервала по 90° каждый. Первый из них представляет дополнительный подъем профиля - рэмп [1, 2], который представляет собой как бы «вспомогательный кулачек», который в быстроходных механизмах заводится для компенсации зазоров, изменения длины толкателя, вызванного температурой, износом или упругой податливостью деталей. Этот дополнительный подъем имеет малую величину (порядка 5% от максимального хода толкателя) и деформирует передаточный механизм, прежде чем толкатель придет в движение, преодолевая начальное усилие замыкающей пружины, обеспечивающей контакт толкателя с кулачком. Скорость толкателя (рис. 2) на момент окончания дополнительного профиля равна нулю. Следующий интервал подъема профиля соответствует непосредственно перемещению толкателя до крайнего верхнего положения. Обращает внимание на себя смещение центра тяжести диаграммы передаточной функции скорости к окончанию этого интервала фазы удаления. Очевидно, авторы этой конструкции стремились получить закон ускорения толкателя с безударным законом (рис. 3), при котором коэффициент динамичности близок к единице. На рис. 3 интервал разбега толкателя на протяжении угла поворота кулачка от 90° до приблизительно 147° представлен сложной пульсирующей кривой, что следует, скорее всего, отнести за счет погрешностей измерения и неточности дифференцирования функции перемещения, заданной таблично.

2. Интервал выбега толкателя на фазе удаления составляет 20°, т.е. приблизительно 0,28 от интервала разбега. При этом пик ускорения на 75% выше по сравнению с аналогичной величиной на интервале разбега. По окончанию фазы удаления ускорение толкателя равно нулю. На фазе приближения закон ускорения повторяется симметрично фазе удаления, дополнительный профиль отсутствует.

3. Пиковые значения аналогов скорости и ускорения на интервале разбега соответственно равны:

Безразмерные коэффициенты скорости и ускорения, соответствующие этим пикам, имеют следующие значения:

Эти значения коэффициентов как кинематических критериев качества позволяют оценивать данный механизм как спроектированный далеко не идеально. Напомним, что для типового синусоидального закона ускорения толкателя:

Кроме этого, неудовлетворительным представляется и резкое изменение ускорения на интервале выбега толкателя с последующим таким же изменением ускорения на интервале разбега фазы приближения. Такая ситуация приводит к появлению так называемых «эквивалентных скачков» ускорения толкателя [3], инициирует активное возбуждение сопровождающих ускорений в момент разрыва функций ускорения при переходе от фазы удаления к фазе приближения при отсутствии выстоя толкателя. Для этого случая более рациональным было бы применение двойного гармонического закона ускорения [4], при котором наблюдается плавное изменение ускорения на интервале разбега фазы удаления и отсутствие мгновенных изменений ускорения при переходе от фазы удаления к фазе приближения при равных величинах их продолжительности.

Таким образом, выполненный анализ позволяет сделать следующий вывод: в отличие от решения дифференциальных уравнений движения толкателя с учетом его конечной жесткости при её постоянной величине амплитуды сопровождающих ускорений, полученные на основе анализа модели с переменным коэффициентом жесткости, изменяются на протяжении фазы удаления. Величины и форма этого изменения зависит как от закона движения толкателя, так и от закона изменения приведенного коэффициента жесткости элементов соединения высшей пары и компонентов, входящих в описание этой зависимости. Это опять же теоретический закон ускорения толкателя, соответственно этому закон изменения радиуса кривизны профиля кулачка, основные размеры кулачка, ход толкателя, жесткостные характеристики материала кулачка и толкателя, скорость вращения кулачка, длительность фазы движения и соотношение интервалов разбега и выбега толкателя.

Список литературы:

1. Вольмир А.С. Оболочки в потоке жидкости и газа (задачи аэроупругости). – М: Наука, 1976. – 416 с.
2. Рыбникова Е. В. Динамический синтез кулачковых механизмов с учетом контактного взаимодействия элементов высшей пары: Дис. ... канд. техн. наук : 05.02.18 : Омск, 2005 165 c. РГБ ОД, 61:05-5/3243.
3. Механика машин. Расчеты с применением ЭЦВМ/ Белоконев И.М. Киев: Вища школа, 1978. – 232 с
4. Вульфсон И.И., Коловский М.З. Нелинейные задачи динамики машин. – Л.: Машиностроение, 1968. – 281 с.